基于MATLAB的“光纖通信”教學(xué)改革探索

向練 邵衛(wèi)東

【關(guān)鍵詞】光纖通信;MATLAB;教學(xué)改革

2020年3月4日中共中央政治局常務(wù)委員會召開會議，會議強調(diào)要加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進度。光纖通信作為有線傳輸網(wǎng)的首選通信方式，自20世紀(jì)80年代以來在全世界得到廣泛應(yīng)用，隨著各種新技術(shù)的不斷提出，光纖通信的發(fā)展極為迅速，新的理論和技術(shù)不斷產(chǎn)生，通信容量不斷取得新突破。近年來，隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等熱門技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)出指數(shù)級增長態(tài)勢。根據(jù)思科預(yù)測，2025年全球數(shù)據(jù)流量將會從2016年的16ZB上升至163ZB，意味著光纖通信容量面臨著更高挑戰(zhàn)，勢必會進一步促進國內(nèi)光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展，企業(yè)對于光纖通信技術(shù)人員的需求也將大量增加，同時，對相關(guān)專業(yè)人才的素質(zhì)提出了更高要求。

上世紀(jì)70年代，隨著低損耗光纖研制的成功，光纖通信逐漸從基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向了商業(yè)應(yīng)用，從而得到了迅猛發(fā)展。伴隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷完善，國內(nèi)逐漸構(gòu)建了體系完備、邏輯嚴(yán)密、特色鮮明的教學(xué)體系。光纖通信課程不僅注重基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，而且由于其直接面向相關(guān)產(chǎn)業(yè)。與實際應(yīng)用也同樣聯(lián)系緊密。因此該課程的覆蓋內(nèi)容非常廣泛，包括了光源、光發(fā)射耦合、光傳輸、光放大、光接收評價及光網(wǎng)絡(luò)等部分，系統(tǒng)全面地介紹了光纖通信系統(tǒng)的各個部分。光纖通信課程是面向高等院校電子通信工程專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，以培養(yǎng)具有扎實理論基礎(chǔ)的高素質(zhì)專業(yè)人才為基本目標(biāo)。該課程全面涵蓋了光纖通信過程中的各種基本知識和物理原理，從數(shù)字、模擬光纖通信系統(tǒng)，光纖通信技術(shù)等角度對這些知識進行全面講解，涉及廣泛的專業(yè)知識，如光學(xué)、普通物理、電磁場與電磁波、通信原理、數(shù)字電路和模擬電路、數(shù)字信號處理等，是專業(yè)類基礎(chǔ)課程所學(xué)理論知識在具體領(lǐng)域的綜合應(yīng)用。這門課程具有內(nèi)容復(fù)雜、概念比較抽象、基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)要求較深、不容易理解的特點，給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了很大的困擾，學(xué)習(xí)積極性不高，使得教與學(xué)的難度比較大。目前在該課程的教學(xué)過程中主要存在以下幾個方面的問題：

1、教學(xué)模式陳舊。該課程所涉及的內(nèi)容較多，教學(xué)壓力大，因此導(dǎo)致教學(xué)過程中老師容易墨守成規(guī)、照本宣科，按書本上的章節(jié)機械講解，忽略了與學(xué)生的互動。長此以往，學(xué)生就會誤認為光纖通信就是和眾多理論課程一樣，是一門偏重數(shù)學(xué)推導(dǎo)和計算的課程，而忽略了光纖通信課程與實際產(chǎn)業(yè)應(yīng)用之間的非常緊密的聯(lián)系，從而導(dǎo)致學(xué)生認為本課程對于現(xiàn)實工作實踐指導(dǎo)意義不大。

2、教學(xué)內(nèi)容重點不突出。不同學(xué)校，不同專業(yè)的學(xué)生，其數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)參差不齊，而光纖通信課程本身與諸多專業(yè)知識緊密相連，如物理光學(xué)、半導(dǎo)體材料、光電子學(xué)、光刻技術(shù)等，大量知識點都是建立在諸多理論的物理概念和數(shù)學(xué)模型上的。如果學(xué)生在此之前對這些課程沒有一定的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，對一些基本原理，如數(shù)字通信原理、光電轉(zhuǎn)換原理、半導(dǎo)體器件的導(dǎo)電機制等沒有理解或根本沒有學(xué)習(xí)過的話，那么學(xué)生對光纖通信這門課程知識點的學(xué)習(xí)和理解將會遇到很大的困難。此外，通常工科類專業(yè)的學(xué)生，容易忽略對物理機制的學(xué)習(xí)思考，而是更注重實際動手操作的能力。這會導(dǎo)致學(xué)生對物理概念的理解，以及數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)能力相對較為薄弱，從而導(dǎo)致學(xué)生在聽課或自我學(xué)習(xí)時感到抽象乏味、晦澀難懂，很難理解一些概念和數(shù)學(xué)公式的本質(zhì)含義，而僅僅是死記硬背，難以真正理解其中的原理，導(dǎo)致知其然不知其所以然。因此對不同專業(yè)的學(xué)生，需要了解其所學(xué)的基礎(chǔ)課程，針對性地制定不同教學(xué)重點，例如通信工程相關(guān)專業(yè)的學(xué)生有較好的電磁場理論背景知識，因此上課的時候可以對光在光纖中傳播時的波動理論進行重點講解。把握光纖通信的本質(zhì)。而其他專業(yè)無相關(guān)理論知識的學(xué)生可適當(dāng)弱化此部分內(nèi)容的講解，循序漸進，逐步強化。

3、教學(xué)手段單一。由前面提到，光纖通信課程涉及的知識面非常廣泛，內(nèi)容多，信息量大，教師在課堂授課時容易變成傳統(tǒng)的通過板書進行原理講解和公式推導(dǎo)。這種單一的教學(xué)手段很難讓學(xué)生理解其中的原理和意義。也無法與實際應(yīng)用相結(jié)合，使得學(xué)生對此課程的學(xué)習(xí)感覺乏味、枯燥，毫無新鮮感，無法提高對課程學(xué)習(xí)的興趣。此外如果老師按傳統(tǒng)單一的教學(xué)手段進行講解，教學(xué)過程中與學(xué)生的互動效果很難體現(xiàn)，由于光纖通信課程比較難懂，一些學(xué)生即使沒有聽懂也不敢提問，并且有些學(xué)生知識儲備不全面，缺乏自信心，從而不知如何提問，再加上傳統(tǒng)教學(xué)手段互動性弱的特點，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣會逐漸降低。

4、實驗方式存在一定的缺陷。大多數(shù)學(xué)校開設(shè)的光纖通信實驗是在制作好的實驗箱上進行，該類實驗學(xué)生完全不需要理解實驗原理，只需按照指導(dǎo)書進行簡單操作，按部就班地打開開關(guān)，插線，使用模塊就可以得到實驗結(jié)果，對結(jié)果也不能夠很好地進行分析。這往往會導(dǎo)致學(xué)生做完實驗后依然不懂如何用已學(xué)的實驗原理對實驗現(xiàn)象進行合理解釋，更談不上實驗的拓展和設(shè)計，實驗效果不理想。這種機械的實驗方式很難激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，也必定導(dǎo)致對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的缺失。另外，通常實驗箱中的模塊和整個實驗結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)出來時就已經(jīng)設(shè)計好固定不能改變了，這導(dǎo)致大多數(shù)實驗器件的參數(shù)不可調(diào)動，因而很難對實驗內(nèi)容進行擴展，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實驗興趣和創(chuàng)新思維。而且很多同學(xué)沒有規(guī)范地使用實驗箱，再加上電子元器件隨著使用年限的老化，導(dǎo)致很多實驗結(jié)果并不理想且實驗設(shè)備也會有不同程度的損壞，后續(xù)需要投入充足的經(jīng)費進行維護和改善，這將使得實驗室的投入成本比較高。

隨著計算機的普及，使用軟件仿真進行輔助教學(xué)，能有效解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的一些問題。近年來，MATLAB軟件在諸多課程中被用來輔助教學(xué)，也取得了很好的教學(xué)效果。MATLAB是由美國Mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的計算機高級計算平臺，廣泛應(yīng)用于科研學(xué)術(shù)和工程應(yīng)用中的系統(tǒng)模擬和仿真計算。它將數(shù)值分析、矩陣計算、數(shù)據(jù)可視化和非線性動態(tài)系統(tǒng)建模仿真等強大功能集成在一起。具有強大的工程應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，其編程方式自由，簡單易學(xué)，為科學(xué)研究、工程設(shè)計等眾多領(lǐng)域提供了一種全面解決方案。光纖通信課程中有很多數(shù)學(xué)計算和理論推導(dǎo)，如果通過MATLAB軟件來展示公式的推導(dǎo)過程和結(jié)果，并利用其可視化的特點進行繪圖，可以使教學(xué)內(nèi)容中抽象物理原理具有更加清晰、形象的視覺效果。這樣可以充分調(diào)動學(xué)生的感性認識，使學(xué)生快速地在大腦中形成清晰的記憶點，從而加深對教學(xué)內(nèi)容的印象和理解，達到事半功倍的效果。針對MATLAB軟件的特點，可在光纖通信課程中利用的功能如下：

1、利用MATLAB強大的數(shù)學(xué)計算和數(shù)據(jù)可視化功能，可以形象直觀地展現(xiàn)一些抽象的數(shù)學(xué)公式和物理原理，例如通過MATLAB圖形演示光信號的調(diào)制解調(diào)過程。強化學(xué)生的視覺印象，從而加深學(xué)生的理解。

2、利用MATLAB的Simulink可視化仿真工具，開設(shè)光纖通信輔助實驗。在Simulink工具界面中有一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口（GUl），可以直接調(diào)用和建立圖像化的系統(tǒng)模塊，并且模塊參數(shù)多維度可調(diào)，將各種系統(tǒng)模塊進行簡單連接就可以建立一個直觀明了、功能豐富且功能強大的系統(tǒng)模型。通過這種方式使得原本價格昂貴的實際光纖通信系統(tǒng)變成簡單直觀，且無任何使用成本的靈活仿真系統(tǒng)，同時仿真結(jié)果實時可查，系統(tǒng)參數(shù)多角度可調(diào)，非常有利于系統(tǒng)的擴展和設(shè)計。而傳統(tǒng)的實驗箱模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固化，參數(shù)固定，成本昂貴，實驗效果不穩(wěn)定，實驗內(nèi)容難以延伸和靈活設(shè)置，不利于學(xué)生對實驗原理的理解和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。與此相比較，利用Simulink工具可以不受實驗設(shè)備、條件和時間的限制，學(xué)生利用空閑時間可自行在電腦上完成，提高光纖通信實驗的靈活性。

3、利用MATLAB軟件的編程功能，通過對一些公式的編程進行圖形展示，加強對光纖通信中公式和基本原理的理解，同時提高學(xué)生的基礎(chǔ)編程能力，增加了傳統(tǒng)教學(xué)手段。

在光纖通信中，損耗和色散是限制信號傳輸距離和傳輸容量的兩個重要因素。損耗使得光脈沖在傳輸過程中能量逐漸衰減;而色散會導(dǎo)致光脈沖在傳輸過程中展寬，導(dǎo)致碼間串?dāng)_，提高誤碼率。本節(jié)以光纖通信中損耗和色散為例，說明如何在光纖通信課程中利用MATLAB仿真軟件來進行輔助教學(xué)。

在單模光纖中光脈沖的傳輸會受到光纖衰減、群速度色散和方向非線性的影響。對脈寬大于5ps的光脈沖，其在光纖中傳輸?shù)难葑冞^程可由非線性薛定諤方程（NLSE）來描述：

這表明此時光脈沖的形狀并不會變化。只會受到光纖損耗的影響，信號幅值成負指數(shù)形式衰減，其光功率的變化如圖1所示。由圖中可以直觀看出光信號功率并不是隨著傳輸距離的增加而線性降低的，而是在傳輸前段衰減迅速。傳輸后段衰減速度逐漸放緩，通過編程繪圖可以讓學(xué)生加深印象。

2、光纖色散。當(dāng)光纖長度時，非線性對光脈沖的影響可以忽略，此時光信號主要受群速度色散的影響。若不考慮光纖損耗，此時公式（1）可簡化為：

圖2（a）中顯示了初始入射高斯光脈沖與傳輸50 km后的光脈沖的對比圖，（b）圖中顯示了光脈沖隨著傳輸距離的增加，受色散影響后逐漸展寬的過程。相比于傳統(tǒng)的通過公式（4）和（5）來介紹光纖群速度色散，通過圖2的圖形展示可以生動形象的更好解釋群速度色散對光脈沖的展寬過程，加深學(xué)生對此概念的理解。

對公式（7）的求解和編程繪圖可以布置成作業(yè)，引導(dǎo)學(xué)生進行仿真算法的研究，提高學(xué)生的編程動手能力，同時加深對光纖非線性概念的理解，從而對光脈沖在光纖中的傳輸演化過程有深刻的理解。這種效果是在傳統(tǒng)的光纖通信教學(xué)和簡單實驗中難以達到的。

本文通過引入案例說明了MATLAB在輔助光纖通信教學(xué)的重要作用。通過案例分析可以看出。采用MATLAB進行輔助教學(xué)能直觀地將枯燥乏味、難以理解的數(shù)學(xué)公式進行形象展示，不僅可以強化學(xué)生的視覺印象，加深公式和基本原理的理解，而且可以提高光纖通信實驗的靈活性，增強學(xué)生的基礎(chǔ)編程能力。因此，采用MATLAB對光纖通信課程進行輔助教學(xué)改革，既能將抽象概念形象化，增強老師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)效果，又能鍛煉學(xué)生動手能力，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)思維，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，對光纖通信課程教學(xué)升級有重要意義。